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        瀝青混合料最大密度測(cè)試方法的試驗(yàn)研究*

        2012-06-19 05:13:02朱興一陳王福建
        關(guān)鍵詞:集料真空瀝青

        朱興一陳 龍 王福建

        (上海大學(xué)上海市應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)研究所1) 上海 200072) (浙江大學(xué)交通工程研究所2) 杭州 310027) (浙江大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院市政交通分院3) 杭州 310012)

        0 引 言

        為了提高瀝青路面的使用性能,首先必須提高瀝青混合料的性能,即準(zhǔn)確進(jìn)行瀝青混合料配合比設(shè)計(jì).目前,國(guó)內(nèi)外普遍采用的瀝青混合料設(shè)計(jì)方法有馬歇爾設(shè)計(jì)法和Superpave瀝青混合料體積設(shè)計(jì)法.該2種方法都考慮到集料和瀝青混合料的體積結(jié)構(gòu)在瀝青混合料設(shè)計(jì)中所起到的作用.其中,空隙率VV 是十分重要的控制指標(biāo),其影響到瀝青混合料使用性能的各個(gè)方面.最大密度對(duì)計(jì)算空隙率等其他體積參數(shù)很有用,其準(zhǔn)確性直接決定了體積參數(shù)的準(zhǔn)確度,進(jìn)而影響到最佳瀝青用量甚至是施工質(zhì)量的控制和檢測(cè),此外國(guó)內(nèi)外也有一些地方將其作為確定瀝青混凝土路面現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度的依據(jù)[1].因此,可以說瀝青混合料最大理論密度是瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)中的重要一環(huán)[2].

        在國(guó)際上通常有2種情況:一種是我國(guó)歷來采用的以各種集料、礦粉、瀝青的相對(duì)密度及配合比例計(jì)算求得的理論密度,日本也采用此法.另一種方法是實(shí)測(cè)瀝青混合料最大密度,美國(guó)和歐洲大部分國(guó)家采用此法.其中美國(guó)主要采用真空法,歐洲主要采用溶劑法.進(jìn)一步對(duì)現(xiàn)行主要方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較,將計(jì)算法、真空法及溶劑法的優(yōu)缺點(diǎn)列于表1.

        結(jié)合臺(tái)縉高速公路試驗(yàn)路段的課題研究項(xiàng)目的要求,通過試驗(yàn)綜合分析不同計(jì)算法和實(shí)測(cè)法所得結(jié)果之間的關(guān)系,以期完善規(guī)范中關(guān)于測(cè)試瀝青混合料最大理論密度中所存在的缺陷,并指導(dǎo)該工程項(xiàng)目的實(shí)踐.

        表1 各類方法比較

        1 試驗(yàn)方案及實(shí)施措施

        關(guān)于真空實(shí)測(cè)法,我國(guó)規(guī)范所規(guī)定的試驗(yàn)步驟有許多值得商酌之處,針對(duì)我國(guó)規(guī)范真空法的規(guī)定提出幾點(diǎn)看法[3-5]:(1)我國(guó)真空法所規(guī)定的具體測(cè)定條件,均參考了1992年美國(guó)瀝青技術(shù)組給出的上述“最佳測(cè)定條件”.其適用性究竟如何值得進(jìn)一步研究;(2)在《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)中不推薦使用真空法實(shí)測(cè)改性瀝青混合料和SMA 混合料的理論密度.但事實(shí)證明,真空法實(shí)測(cè)得到的瀝青混合料最大理論密度最接近實(shí)際狀況.因此,可針對(duì)改性瀝青混合料和SMA 混合料給出與普通瀝青混合料不同的真空實(shí)測(cè)測(cè)定條件;(3)我國(guó)《規(guī)范》中規(guī)定“強(qiáng)烈振蕩負(fù)壓容器,使水充分?jǐn)噭?dòng)混合料,除去剩余的氣泡.每隔2min晃動(dòng)若干次,直至不見氣泡出現(xiàn)為止.”此條可歸納為對(duì)測(cè)試頻率的要求,但是在不給出準(zhǔn)確條件的情況下,很可能因?yàn)槿藶橐蛩貙?dǎo)致測(cè)試結(jié)果的偏差.因此,需要通過大量試驗(yàn)給出比較準(zhǔn)確的測(cè)試頻率.

        1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

        1.1.1 計(jì)算法設(shè)計(jì)參數(shù) 在運(yùn)用計(jì)算法計(jì)算瀝青混合料最大理論密度時(shí),首先需要通過試驗(yàn)確定粗集料密度(表觀、表干、毛體積密度)及吸水率、細(xì)集料密度(表觀、表干、毛體積密度)及吸水率、礦粉密度、瀝青密度.其算式為[6]

        式中:γ1,γ2,…,γn分別為集料表觀密度、集料毛體積密度、集料表觀和表干平均密度、集料表觀和毛體積平均密度,每一粒徑集料的有效密度由式(1),(2)計(jì)算.

        1.1.2 實(shí)測(cè)法試驗(yàn)條件參數(shù) 為更充分排除混合料空隙內(nèi)空氣,所以采用以下具體的設(shè)計(jì)參數(shù)及參數(shù)變化范圍,見表2.試驗(yàn)所選用的方法為真空法,采用的儀器為交通運(yùn)輸工程學(xué)院道路與工程實(shí)驗(yàn)室新引進(jìn)的儀器.

        表2 設(shè)計(jì)參數(shù)及參數(shù)變化范圍

        2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

        2.1 試驗(yàn)條件參數(shù)對(duì)實(shí)測(cè)法結(jié)果的影響分析

        2.1.1 振動(dòng)頻率 針對(duì)不同級(jí)配及設(shè)定試驗(yàn)參數(shù)做兩組平行試驗(yàn),并取平均值,得不同振動(dòng)頻率對(duì)最大理論相對(duì)密度的影響曲線圖,見圖1~4.

        圖1 (AC-20F)振動(dòng)頻率對(duì)最大密度的影響

        圖2 (AC-20C)振動(dòng)頻率對(duì)最大密度的影響

        圖3 改性瀝青振動(dòng)頻率對(duì)最大密度的影響

        由圖可見,振動(dòng)頻率在80~120r/min之間其遞增速率較快,而在120r/min之后其增長(zhǎng)速度減緩.但值得注意的是,當(dāng)振動(dòng)頻率過大,達(dá)140r/min 之后,包裹在集料外的瀝青膜容易脫落,使水變渾濁,測(cè)得的理論相對(duì)密度偏大.因此,使用過大的頻率會(huì)使得測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生很大誤差.

        圖4 SMA 振動(dòng)頻率對(duì)最大密度的影響

        而對(duì)于SMA 瀝青混合料而言,當(dāng)振動(dòng)頻率達(dá)到140r/min時(shí),最大理論相對(duì)密度值趨于穩(wěn)定,且隨著振動(dòng)頻率的增大,瀝青混合料在水中并沒有呈現(xiàn)渾濁的現(xiàn)象.

        綜上所述,根據(jù)影響曲線圖來看,不論是普通瀝青(粗、細(xì)集料的級(jí)配)及改性瀝青,振動(dòng)頻率為120r/min更適合真空實(shí)測(cè)法;而對(duì)于改性瀝青,振動(dòng)頻率為140r/min更適合真空實(shí)測(cè)法.

        2.1.2 試驗(yàn)水溫 針對(duì)不同級(jí)配及設(shè)定試驗(yàn)參數(shù)做兩組平行試驗(yàn)取平均值,得試驗(yàn)水溫對(duì)最大密度的影響圖,見圖5~8.

        圖5 (AC-20F)水溫對(duì)最大密度的影響

        圖6 (AC-20C)水溫對(duì)最大密度的影響

        圖7 改性瀝青水溫對(duì)最大密度的影響

        圖8 SMA 水溫對(duì)最大密度的影響

        從圖中可以看出,在室溫~25 ℃之間,幾乎沒有太多的影響.此外,使用改性瀝青及SMA 的混合料當(dāng)水溫達(dá)30℃以上時(shí),容器內(nèi)的水出現(xiàn)渾濁現(xiàn)象,其原因可能是水溫逐漸接近于瀝青的軟化點(diǎn),當(dāng)瀝青混合料在來回振動(dòng)的狀態(tài)下,瀝青容易脫落,故測(cè)得的理論相對(duì)密度有偏大.

        綜上所述,根據(jù)水溫對(duì)理論相對(duì)密度的影響曲線圖來看,采用室溫更適合真空實(shí)測(cè)法.

        2.1.3 抽真空時(shí)間 針對(duì)不同級(jí)配及設(shè)定試驗(yàn)參數(shù)分別做兩組平行試驗(yàn),并取平均值,得不同抽真空時(shí)間對(duì)最大理論相對(duì)密度的影響曲線圖,見圖9~12.

        圖9 (AC-20F)抽真空時(shí)間對(duì)最大密度的影響

        圖10 (AC-20C)抽真空時(shí)間對(duì)最大密度的影響

        圖11 改性瀝青抽真空時(shí)間對(duì)最大密度的影響

        圖12 SMA 抽真空時(shí)間對(duì)最大密度的影響

        1)從級(jí)配為AC-20F(普通瀝青)及改性瀝青的影響曲線圖可見,由5~15min,AC-20F(普通瀝青)最大理論相對(duì)密度在10min內(nèi)增加了0.004,而由15~30min的15min內(nèi)只增加了0.002,且30 min后就不再有什么變化.對(duì)于改性瀝青及SMA瀝青混合料其影響也并不大.因此,對(duì)于以細(xì)集料為主的普通瀝青、使用改性瀝青和SMA 瀝青混合料均可采用15min的真空實(shí)測(cè)時(shí)間.

        2)從級(jí)配為AC-20C的影響曲線圖可見,在25min之前,抽真空時(shí)間對(duì)理論密度的影響不斷增長(zhǎng),25min以后逐漸趨于平緩.因此,對(duì)于以粗集料為主的級(jí)配可采用25min的真空實(shí)測(cè)時(shí)間.

        圖13 老化時(shí)間對(duì)最大理論相對(duì)密度的影響

        2.1.4 老化時(shí)間 針對(duì)不同級(jí)配及設(shè)定試驗(yàn)參數(shù)分別做兩組平行試驗(yàn),并取平均值,得不同老化時(shí)間對(duì)最大理論相對(duì)密度的影響曲線圖,見圖13.以圖13可以看出,在老化時(shí)間4h之前最大理論相對(duì)密度有逐漸上升的趨勢(shì),在4h后老化時(shí)間對(duì)最大理論相對(duì)密度的影響趨勢(shì)逐漸減少,幾乎沒有什么變化.因此,可采用4h老化時(shí)間作為真空實(shí)測(cè)法的測(cè)定條件之一.

        2.2 計(jì)算法與實(shí)測(cè)法的比較

        2.2.1 替代真空實(shí)測(cè)法的計(jì)算方法 利用差值分析及不同油石比下各類方法最大理論相對(duì)密度曲線圖14,可知按《規(guī)范》所述的計(jì)算公式,并利用合成集料有效密度得到的最大理論相對(duì)密度與實(shí)測(cè)法所得到的最大差值對(duì)于AC-20F 僅為0.004,最小差值僅為0.002;對(duì)于AC-20C 差值僅為0.001.雖然,《規(guī)范》中規(guī)定合成集料有效密度的公式適用于改性瀝青和SMA,但試驗(yàn)證明該計(jì)算公式同樣適用于計(jì)算其他普通瀝青的合成集料有效密度.因此,當(dāng)真空實(shí)測(cè)法較難實(shí)施時(shí),可改用計(jì)算法(《規(guī)范》所述的計(jì)算公式,并利用合成集料有效密度)來近似代替真空實(shí)測(cè)法.

        圖14 在不同油石比下各類方法最大理論相對(duì)密度曲線圖

        2.2.2 改性瀝青及SMA 使用真空法的可行性

        1)對(duì)于改性瀝青采用真空實(shí)測(cè)法與《規(guī)范》所得到的最大理論相對(duì)密度值僅相差0.003.可見,改性瀝青若在本文推薦使用的測(cè)定條件下,同樣也能夠采用真空實(shí)測(cè)法得到較為可靠的理論密度值.

        2)對(duì)于SMA 瀝青混合料從計(jì)算值可以看出采用真空實(shí)測(cè)法所得到的最大理論相對(duì)密度值與《規(guī)范》計(jì)算法所得到的數(shù)據(jù)比較接近,僅相差0.001,且與我國(guó)00版的計(jì)算法所得到的數(shù)值完全吻合.可見,SMA 瀝青混合料在本文推薦使用的測(cè)定條件下,同樣也能夠采用真空實(shí)測(cè)法得到較為可靠的最大密度.

        3 結(jié) 論

        1)根據(jù)試驗(yàn)所得結(jié)果,在測(cè)定瀝青最大理論密度時(shí),所須采用的測(cè)定條件為:(1)振動(dòng)頻率,120r/min(普通瀝青混合料和改性瀝青)140 r/min(SMA 瀝青混合料);(2)抽真空時(shí)間,15 min(細(xì)級(jí)配普通瀝青混合料,改性瀝青,SMA 瀝青混合料)、25 min(粗級(jí)配瀝青混合料);(3)水溫,室溫;(4)老化 時(shí)間,4h;(5)真 空度,97.3 kPa;(6)振動(dòng)模式,順時(shí)針+逆時(shí)針.這些測(cè)定條件適用于普通瀝青混合料及改性瀝青混合料.

        3)《規(guī)范》規(guī)定,采用計(jì)算法確定改性瀝青及SMA 瀝青混合料的最大理論相對(duì)密度.但本文通過大量試驗(yàn)證明在本文給出的測(cè)定條件下,真空實(shí)測(cè)法也同樣適用于改性瀝青及SMA 瀝青混合料,且其實(shí)測(cè)結(jié)果與規(guī)范所述的計(jì)算法所得結(jié)果大致相同.

        [1]蔣 瑋,沙愛民,裴建中,等.多孔瀝青混合料壓實(shí)關(guān)鍵技術(shù)研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2010,35(11):13-16.

        [2]李立寒,張南鷺.道路建筑材料[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1999.

        [3]交通部公路科學(xué)研究所.JTG F40—2004公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[S].北京:交通部公路科學(xué)研究所,2004.

        [4]Theoretical maximum secific gravity and density of bituminous paving mixtures AASHTOTT-209-99[R].Technician Training and Certification Program,2003.

        [5]Prithvi S,Kandhal M,Khatri A.Improved rice method for determing theoretical maximum specific gravity of asphalt paving mitures[R].NCAT Report,No.92-3.

        [6]交通部公路科學(xué)研究所.JTJ058—2000 公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程[S].北京:交通部公路科學(xué)研究所,2000.

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